宇宙論における「真空」の物理学：相転移、真空エネルギー、そして宇宙の進化
宇宙論における「真空」の概念
宇宙論において「真空」という言葉を聞くと、単に何も存在しない空間を想像するかもしれません。しかし、現代物理学、特に量子力学や場の量子論の視点からは、真空は決して空虚なものではなく、豊かな物理的性質を持つ状態として捉えられています。この物理的な真空の概念は、宇宙の誕生、初期の進化、そして現在の加速膨張といった、宇宙論の根幹に関わる現象を理解する上で極めて重要になります。
本稿では、宇宙論における真空の役割に焦点を当て、量子真空とは何か、初期宇宙でどのように相転移が起こったのか、インフレーション理論がどのように真空の状態を利用するのか、そして現在の宇宙の加速膨張と関連する真空エネルギーの謎について深く掘り下げていきます。
量子真空とそのエネルギー
量子力学によれば、真空は文字通り「空っぽ」ではありません。不確定性原理に基づき、たとえ平均的なエネルギーがゼロであっても、空間の微小な領域ではエネルギーや粒子が一時的に生成・消滅を繰り返しています。これを「ゼロ点エネルギー」と呼び、このような仮想粒子とエネルギーの「泡立つ」状態が量子真空です。
場の量子論では、宇宙は様々な場の集まりとして記述されます。例えば、電磁場、電子場、クォーク場などです。これらの場が取りうる最もエネルギーの低い状態が真空状態に対応します。しかし、場には様々な種類があり、それぞれの場が様々な相互作用を持つため、真空の状態も一つとは限りません。エネルギーの最も低い状態を「真の真空」と呼びますが、それよりもわずかにエネルギーの高い「偽の真空」が存在する可能性も示唆されています。
初期宇宙における相転移
物理系が温度や密度などの条件の変化に伴い、その状態を大きく変える現象を相転移と呼びます。例えば、水が氷になったり蒸気になったりするのも相転移です。初期宇宙は極めて高温・高密度の状態から始まりましたが、膨張とともに温度が低下する過程で、宇宙を満たす様々な場が相転移を起こしたと考えられています。
特に重要な相転移として、対称性の破れを伴うものがあります。高温だった初期宇宙では、異なる種類の力が統一されていた、あるいは素粒子が質量を持たなかったといった高い対称性を持つ真空状態にあったかもしれません。温度が低下するにつれて、宇宙はよりエネルギー的に安定な、対称性の低い別の真空状態へと相転移しました。この相転移の過程で、力を媒介する粒子が区別されるようになったり、ヒッグス機構によって素粒子が質量を獲得したりしたと考えられています。このような初期宇宙の相転移は、現在の宇宙の素粒子構成や物理法則を決定づける上で重要な役割を果たしたと考えられています。
インフレーションと偽の真空
宇宙の地平線問題や平坦性問題といったビッグバン標準モデルの課題を解決するために提唱されたインフレーション理論は、初期宇宙に極めて短い期間、指数関数的な急膨張が起こったと説明します。この急膨張のメカニズムとして、宇宙を支配していた未知の場（インフラトン場などと呼ばれる）が「偽の真空」状態にあったというシナリオが有力視されています。
偽の真空は、真の真空よりもエネルギーが高いものの、ある程度の時間安定して存在できる状態です。インフラトン場がこの偽の真空状態にあるとき、その持つエネルギー密度が宇宙を膨張させる駆動力として働きます。偽の真空のエネルギー密度は膨張しても薄まらないため、宇宙は加速度的に膨張し続けることになります。その後、インフラトン場が真の真空へと転移する際に、そのエネルギーが解放されて素粒子が生成され、ビッグバン後の熱い宇宙へと移行したと考えられています。インフレーション中の偽の真空のエネルギーは、宇宙の初期の微小なゆらぎを生み出し、それが後の宇宙の大規模構造の種になったとも考えられています。
現在の宇宙と真空エネルギー
宇宙は現在、加速膨張していることが観測によって明らかになっています。この加速膨張を引き起こしている未知のエネルギー成分が「ダークエネルギー」です。最も単純なダークエネルギーのモデルは、アインシュタイン方程式に導入される「宇宙論定項」に対応します。そして、この宇宙論定項は、現在の宇宙における真空のエネルギー密度として解釈することができます。
観測から推定される宇宙論定項の値は、非常に小さいながらもゼロではない正の値を持っています。これは、現在の宇宙の真空が、わずかに正のエネルギー密度を持っていることを示唆しています。この正の真空エネルギーが、重力による収縮に逆らって宇宙を外側へと押し広げる斥力として働き、加速膨張を引き起こしていると考えられています。
宇宙論定項問題という未解決の謎
現在の宇宙の加速膨張を真空エネルギー（宇宙論定項）として解釈することは、多くの観測事実と整合的です。しかし、これには物理学における最も深刻な未解決問題の一つが伴います。量子場の理論に基づき、考えうる全ての場のゼロ点エネルギーを合算して真空のエネルギー密度を理論的に計算すると、その値は観測から得られる宇宙論定項の値と比較して、実に10の120乗倍もの巨大な値になってしまいます。
この巨大な不一致は、「宇宙論定項問題」と呼ばれ、なぜ宇宙の真空エネルギーはこれほどまでに小さいのか、あるいはなぜ量子論的な真空エネルギーの寄与がほとんど打ち消し合っているのか、という根本的な問いを投げかけています。この問題の解決は、量子力学と一般相対性理論を統合する量子重力理論の構築や、宇宙論における新しい物理法則の発見に繋がる可能性があります。
多宇宙論との関連性
宇宙論定項問題に対する解答の一つとして、多宇宙論のシナリオが議論されることがあります。例えば、永続的インフレーションのモデルでは、インフレーションが宇宙全体で決して終わらず、様々な異なる真空状態を持つ多数の「泡宇宙」が常に生成され続けていると考えられています。それぞれの泡宇宙は異なる物理定数、そして異なる真空エネルギー密度を持つ可能性があります。
もしこのような多宇宙が存在するならば、私たちが観測している宇宙は、生命が誕生し存在できるような特定の物理定数や真空エネルギー密度を持つ、無数の宇宙の中の一つに過ぎないのかもしれません。これは「人間原理」と呼ばれる考え方とも関連し、私たちが観測する宇宙の物理定数がなぜ特定の値を持つのかという問いに対し、私たちはその値でなければ存在し得ないからだ、と説明しようとする試みです。しかし、これは科学的な予測力を持ちにくく、多くの議論を呼んでいる考え方でもあります。
まとめと今後の展望
宇宙論における「真空」は、単なる空虚な空間ではなく、宇宙の進化を支配する物理的な実体として理解されています。初期宇宙の相転移は素粒子の性質や力の分化をもたらし、インフレーション理論は偽の真空エネルギーによる指数関数的膨張を説明します。そして現在の宇宙の加速膨張は、わずかに正の値を持つ真空エネルギー、すなわち宇宙論定項によって引き起こされていると考えられています。
しかし、量子論から予想される真空エネルギーと観測される値との巨大な不一致である宇宙論定項問題は、現代物理学が直面する最も深刻な謎の一つです。この問題の解決は、宇宙の根本原理に対する我々の理解を大きく変える可能性があります。今後の観測技術の進歩や理論物理学の研究によって、宇宙論における真空の物理学、そしてそれが織りなす宇宙の物語がさらに深く解明されることが期待されます。